进气迟闭角和气门角面值对压缩比的影响分析_郭才冬.pdf

河南科技Henan Science and Technology机械与动力工程总第800期第6期2023年3月进气迟闭角和气门角面值对压缩比的影响分析郭才冬邓真（重庆宗申发动机制造有限公司，重庆400054）摘要：【目的目的】通过对发动机配气机构的进气迟闭角在低转速时与发动机压缩比的关系进行研究，建立进气迟闭角与发动机压缩比的关系式，为发动机启动缸压设计开发提供理论支持。【方方法法】本研究对发动机有效压缩比与曲轴转角及气门角面值的关系式进行推导，采用平均角面值占比结合曲轴转角来计算发动机低转速有效压缩比的方法，并通过试验来验证该公式的正确性。【结果结果】本研究建立的迟闭角与发动机压缩比关系式，为发动机研究人员提供启动缸压设计的基本计算方法。【结论结论】通过计算并结合试验得出，发动机在低转速时，用进气平均流通面积和进气迟闭角联立来求解发动机的有效压缩比，所得的结果与实际压缩比相符。关键词：进气迟闭角；气门角面值；压缩比中图分类号：TK417文献标志码：B文章编号：1003-5168（2023）06-0045-04DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.06.008Analysis of the Impact of Intake Lag Angle and Angle-Area Valve onCompression RatioGUO CaidongDENG Zhen(ChongQing zongshen engine manufacture Co.,Ltd.,Chongqing 400054,China)Abstract:Purposes By studying the relationship between the intake lag angle of the engine valve trainand the engine compression ratio at low speed,the relationship between the intake lag angle and the engine compression ratio is established to provide theoretical support for the design and development of engine starting cylinder pressure.Methods In this study,the relationship between the effective compression ratio of the engine and the crankshaft angle and the valve angle surface value was derived.Themethod of calculating the effective compression ratio of the engine at low speed was calculated by usingthe average angle surface value ratio combined with the crankshaft angle,and the correctness of the formula was verified by experiments.Findings The relationship between the lag angle and the engine compression ratio established in this study provides engine researchers with a basic calculation method forstarting cylinder pressure design.Conclusions Through calculation and experiment,it is concludedthat when the engine is at low speed,the effective compression ratio of the engine is solved by combiningthe average flow area of the intake air and the delayed closure angle of the intake air.The results are consistent with the actual compression ratio.Keywords:intake lag angle;angle-area value;compression ratio0引言发动机的运动多是通过曲轴的连杆机构将活塞的直线运动转变为旋转运动。活塞在进行往复运动时，其工作行程是有范围的1。就发动机单个气缸而言，当活塞的行程到最低点（该位置被称为收稿日期：2022-11-09作者简介：郭才冬（1979），男，本科，高级工程师，研究方向：小型内燃机热动力的设计研发。46第6期下止点）时，整个气缸包括燃烧室所形成的容积为整个活塞运动最大行程容积。当活塞反向运动到最高点（该位置点被称为上止点）时，整个气缸包括燃烧室所形成的容积为整个活塞运动最小行程容积。而要计算的压缩比就是最大行程气体容积与最小行程气体容积的比值。1发动机压缩比分析发动机压缩比即发动机混合气体被压缩的程度，其可用压缩前的气缸气体总容积与压缩后的气缸气体容积的比来表示。发动机压缩比的计算见式（1）。=V室+V工V室（1）式中：V室为燃烧室的工作容积；V工为进入气缸的混合气体总容积。燃烧室容积V室包含缸头燃烧室的容积V1、活塞一环火力岸与缸体之间的间隙V2、活塞顶与缸盖面之间的容积V3，见式（2）。V室=V1+V2+V3（2）在发动机实际运行中V工是变化的，这是因为发动机在运转时，活塞行程所经历的时间很短，且进（排）气系统又存在气流阻力2，同时气门的开闭过程也不是瞬间完成的，气门由开始开启到全部开启、由开始关闭到完全关闭都需要一定时间，如果气门在活塞的上（下）止点位置开（闭），便无法满足发动机对进气、排气的要求，为了保证发动机的性能，现代发动机大都设有提前开启角和延后关闭角，如图1所示。理论上，发动机一个循环进气、压缩、做功、排气各占180，也就是说进（排）气门都是在上（下）止点开闭的。为了保证尽可能多地进排气，进排气门要设有提前开启和延迟关闭3，但在低转速时，气体在压缩时因进气迟闭角的关系，气体会从该角度排出，导致发动机的有效压缩比要低于理想压缩比。通过将排出的气体等效成一个容积，即将迟闭角形成的容积V迟计算进去，用工作容积减去V迟，即得到有效容积V有，燃烧室压缩比的计算见式（3）、式（4）。V有=V工-V迟（3）燃=V室+V工-V迟V室（4）将公式（1）（3）（4）进行联立求解，结果见式（5）。燃=-V迟V室（5）根据曲柄连杆的动力学来计算活塞行程，见式（6）。X=R （1-cos）+4（1-cos2）（6）式中：X为活塞行程；为曲轴转角；为连杆比；R为曲轴旋转半径。活塞半径r已知，将公式（5）（6）联立求解，结果见式（7）。燃=-r2 R (1-cos1)+4（1-cos21）V室（7）式中：1为进气迟闭角。有学者认为燃是发动机的有效压缩比，同时有个别资料提出用公式有=180-（-540）（-1）/180+1来计算发动机的有效压缩比（式中为进气门关闭时刻的曲轴转角）。但这是认识上的偏差，因为在同样的发动机配气相位时，由于凸轮轴在迟闭角段的凸轮型线会导致气门的升程不同，在进气迟闭角这一时间段排出的气体流量是不同的，故燃不能认为是发动机的有效压缩比，要综合考虑气门升程与曲轴转角的流通面积对压缩比的影响。2发动机流通面积计算分析发动机进排气量的多少决定着在上止点时最终气体压缩量的大小，从而影响发动机缸压的大小，气体由气道经气门进入气缸的过程是一个复杂的流动过程4，进气量的大小主要与进气阻力、气门开度、配气相位、进气温度等因素有关。上述因素中的任何一个发生变化，都有可能导致进气阻力增大。由于在一个循环工况内进入发动机的气体是一定的，可用角面值来定义进入气体的数量，通过计算流通面积，从而间接算出进出发动机的流量比，发动机进图1配气相位郭才冬，等.进气迟闭角和气门角面值对压缩比的影响分析排气上止点下止点排气迟闭角进气迟闭角进气重叠角第6期47气门处流通面积结构如图2所示。气门处流通面积的计算见式（8）。S面=l（R+r）（8）其中，l=Lcos，R=D2+Lcossin，r=D2。气 门 处 流 通 面 积 的 计 算 公 式 可 转 换 为公式（9）。S面=D2LDcos（1+LDcossin）（9）根据凸轮型线和配气相位角及公式（9），可求解出在发动机一个循环（720）中每个曲轴转角气门开启的面积，即发动机的角面值。本研究以一款250 ml的发动机为例（该发动机设计的压缩比为11.14 1），用于论证以上推导。通过制作不同的凸轮轴进行试验验证，根据四种凸轮型线和配气相位角，可计算出以上四种不同的平均角面值，即上止点前平均角面值S前、上下止点平均角面值S间、下止点后平均角面值S迟，后续表格中的1#、2#、3#、4#都是指凸轮轴状态，结果见表1。根据平均角面值的变化来对发动机气门升程角面值的面积比进行计算，见式（10）。K=S迟S间100%（10）根据公式（10）对四种凸轮轴的角面值进行计算，得到比值系数K。K值与S间角度的乘积可等效看作迟闭角通过角度的气缸容积V迟。由于S间的角度为180，假设K值为10%，即其迟闭角通过的有效角度可等效为 18010%=18，有效压缩比即为按照迟闭角18计算。根据以上推论，用公式（10）计算得到250发动机的等效迟闭角，见式（11）前=S前S间 180迟=S迟S间 180（11）式中：前为S前的等效角度；迟为S迟的等效角度。根据上述的公式推导，可计算出发动机的有效压缩比有，具体数据见表2。为了进一步推导和验证，对发动机安排多轮次的台架试验，发动机台架反拖如图3所示。按照摩托车发动机冷启动的最低转速来进行模拟测试，用测功机反拖发动机，使发动机的转速稳定在250 rpm/min，环境温度为 28，使用 AVL 火花塞压力传感器。本研究只对配气机构的影响进行研究，故不带进排气系统。此时，发动机转速较低，气体的流动惯性力较小，近似计算时可将气体惯性力忽略。实测缸压见表3。为了尽可能避免由发动机转速波动带来的影响，表3中的数据为十个发动机循环峰值的平均值。根据推导的角面值与有效压缩比的计算方法，结合实际测试的缸压数据，初步得到小型汽油机缸压与压缩比的关系式为P=0.975 有。通过对进气压力进行监控，四种状态的进气压力测试数据如图4所示。图2气门升程流通面积结构表1发动机平均角面值单位：mm2凸轮S前S间S迟1#1.5692.3910.142#2.6794.169.313#2.4698.2210.954#0.9779.5213.58发动机K迟/有1#10.79%559.7610.712#9.96%557.810.793#9.8%560.0710.74#9.14%570.7410.12表2不同指凸轮轴状态下K、迟、有值图3发动机台架反拖表3实测缸压P发动机实际测试1#10.452#10.523#10.354#9.88单位：bar郭才冬，等.进气迟闭角和气门角面值对压缩比的影响分析DBCAXL48第6期进气压力/bar进气压力/bar0.9850.9800.9750.9700.9650.9850.9800.9750.9700.965进气压力/bar进气压力/bar0.9850.9800.9750.9700.9650.9850.9800.9750.970从进气压力数据可以看出，缸压与压缩比的关系见式（12）。P=P0 有T压T进（12）式中：P为缸内压力；P0为进气压力；T压为